【老式(shi)掛鐘原(yuan)(yuan)理(li)】擺(bai)鐘原(yuan)(yuan)理(li)是什么 老式(shi)擺(bai)鐘的工(gong)作原(yuan)(yuan)理(li)

您(nin)是否見(jian)過(guo)大(da)座鐘(zhong)(zhong)和(he)小機(ji)械鬧鐘(zhong)(zhong)的(de)內部結(jie)構，看過(guo)所(suo)有的(de)齒輪(lun)和(he)彈簧發條后，是否想，“哇——這么復雜(za)？”雖然(ran)時(shi)(shi)鐘(zhong)(zhong)通(tong)常(chang)非常(chang)復雜(za)，但您(nin)不必覺(jue)得困惑(huo)或不可思(si)議。事實上，了解(jie)時(shi)(shi)鐘(zhong)(zhong)工(gong)作原理時(shi)(shi)，您(nin)可以(yi)想象時(shi)(shi)鐘(zhong)(zhong)設計者們是如何面對和(he)解(jie)決大(da)量有趣的(de)問題，并設計出準確的(de)計時(shi)(shi)設備的(de)。本文將幫助(zhu)您(nin)了解(jie)是什么使時(shi)(shi)鐘(zhong)(zhong)發出嘀嗒聲，所(suo)以(yi)下(xia)次(ci)看到時(shi)(shi)鐘(zhong)(zhong)內部結(jie)構時(shi)(shi)您(nin)就會(hui)明(ming)白一(yi)切了。

讓我們先看一下(xia)擺鐘的不(bu)同部件(jian)。

從1656年起，人(ren)們(men)便(bian)開始(shi)使用擺(bai)(bai)鐘計時了，但是此后擺(bai)(bai)鐘的(de)(de)發展一直沒有太大的(de)(de)變化。擺(bai)(bai)鐘是第一款具有一定(ding)精(jing)確度的(de)(de)時鐘。如果(guo)從外(wai)部觀(guan)看(kan)擺(bai)(bai)鐘，可以發現幾個對所有時鐘的(de)(de)機(ji)械(xie)裝置而(er)言(yan)都很(hen)重要的(de)(de)部件：

時(shi)鐘的(de)表面、時(shi)針(zhen)和分針(zhen)（有時(shi)甚至有“月相”盤）。

有(you)一個或多(duo)個鐘錘（如果時鐘更(geng)現代(dai)，會有(you)一個鎖(suo)眼可(ke)用于給(gei)時鐘內上緊發(fa)條——本文(wen)將繼續以鐘錘驅動的時鐘為例）。

當然，還有(you)鐘擺本身(shen)。

大(da)多(duo)數掛鐘(zhong)都有(you)鐘(zhong)擺(bai)，每秒(miao)鐘(zhong)擺(bai)動一次(ci)。小布谷(gu)鳥(niao)鐘(zhong)的(de)鐘(zhong)擺(bai)可以(yi)每秒(miao)鐘(zhong)擺(bai)動兩次(ci)。大(da)座鐘(zhong)的(de)鐘(zhong)擺(bai)每兩秒(miao)鐘(zhong)擺(bai)動一次(ci)。那(nei)么，這些部(bu)件如何協作以(yi)保持(chi)時(shi)鐘(zhong)運(yun)行和(he)時(shi)間準(zhun)確(que)呢？首(shou)先(xian)，讓(rang)我們看一下(xia)鐘(zhong)錘(chui)。

鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘的(de)(de)作用(yong)是(shi)作為(wei)一個能量存儲(chu)裝置(zhi)，因此(ci)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)(ke)以(yi)在無人(ren)值守的(de)(de)情(qing)況下(xia)運(yun)行相對(dui)較長的(de)(de)時間。為(wei)鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘驅動的(de)(de)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)上緊發條時，可(ke)(ke)以(yi)拉(la)緊繩索提起鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘。這會(hui)在地球(qiu)重力(li)場的(de)(de)作用(yong)下(xia)賦(fu)予(yu)鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘勢能。我(wo)們一會(hui)可(ke)(ke)以(yi)看到，鐘(zhong)(zhong)(zhong)利用(yong)的(de)(de)正是(shi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘下(xia)落時的(de)(de)勢能驅動機構進(jin)行運(yun)轉(zhuan)。

舉例來說，我(wo)(wo)們要利用(yong)下落(luo)的(de)(de)鐘(zhong)錘(chui)設計(ji)一(yi)個最簡(jian)單的(de)(de)時鐘(zhong)——只有(you)秒針的(de)(de)時鐘(zhong)。我(wo)(wo)們想(xiang)在(zai)這個簡(jian)單的(de)(de)時鐘(zhong)上(shang)安裝秒針，使(shi)它(ta)象任何時鐘(zhong)上(shang)的(de)(de)正常(chang)秒針一(yi)樣(yang)工作，每60秒旋轉一(yi)周。我(wo)(wo)們可(ke)以(yi)嘗試按右圖所示(shi)的(de)(de)設計(ji)，只需將鐘(zhong)錘(chui)細繩連接到滾筒，然后將秒針也(ye)連接到滾筒上(shang)。當然，這并(bing)不會起(qi)作用(yong)。在(zai)這個簡(jian)單的(de)(de)機構中，釋放鐘(zhong)錘(chui)會導致它(ta)快速(su)下落(luo)，使(shi)滾筒以(yi)約(yue)1000rpm（轉數/分）的(de)(de)速(su)度(du)旋轉，直到鐘(zhong)錘(chui)落(luo)到地板上(shang)。

但(dan)是(shi)，它(ta)會在正確(que)的(de)(de)方向(xiang)前進。舉例(li)來說(shuo)，我(wo)們在滾筒上放置某(mou)種摩(mo)擦(ca)裝(zhuang)置——某(mou)種制動襯片或(huo)可以(yi)讓(rang)滾筒減速(su)的(de)(de)東西。這會起(qi)到作用。我(wo)們當然能(neng)根(gen)據使(shi)秒針每分鐘旋(xuan)轉(zhuan)一周的(de)(de)摩(mo)擦(ca)力來設計某(mou)種方案。但(dan)它(ta)只能(neng)是(shi)近似值(zhi)。隨(sui)著空氣溫度(du)和(he)濕度(du)的(de)(de)變化，裝(zhuang)置的(de)(de)摩(mo)擦(ca)力也(ye)會改變。因此，秒針不會保持非常好的(de)(de)準(zhun)確(que)性(xing)。

因此，追溯到17世紀，希望制造(zao)出(chu)準確(que)時(shi)鐘(zhong)(zhong)的(de)人(ren)們曾努力解決如何使秒鐘(zhong)(zhong)每分鐘(zhong)(zhong)旋轉(zhuan)一(yi)周的(de)問(wen)(wen)題(ti)。荷(he)蘭(lan)天文(wen)學家克里斯琴(qin)·惠更斯（Christiaan Huygens ）被譽為使用鐘(zhong)(zhong)擺(bai)的(de)第一(yi)人(ren)。由(you)于鐘(zhong)(zhong)擺(bai)具有(you)非常(chang)有(you)趣的(de)特性，因此非常(chang)有(you)用：鐘(zhong)(zhong)擺(bai)擺(bai)動(dong)的(de)周期（鐘(zhong)(zhong)擺(bai)來回擺(bai)動(dong)一(yi)次所(suo)用的(de)時(shi)間）只和鐘(zhong)(zhong)擺(bai)的(de)長(chang)(chang)度(du)(du)和重(zhong)力有(you)關(guan)。由(you)于地球上(shang)任何特定(ding)點(dian)的(de)重(zhong)力都是(shi)(shi)恒(heng)定(ding)的(de)，所(suo)以(yi)影響鐘(zhong)(zhong)擺(bai)運動(dong)周期的(de)只有(you)鐘(zhong)(zhong)擺(bai)的(de)長(chang)(chang)度(du)(du)。重(zhong)量并不是(shi)(shi)問(wen)(wen)題(ti)，鐘(zhong)(zhong)擺(bai)擺(bai)動(dong)的(de)弧(hu)長(chang)(chang)度(du)(du)也不是(shi)(shi)問(wen)(wen)題(ti)，只有(you)鐘(zhong)(zhong)擺(bai)的(de)長(chang)(chang)度(du)(du)是(shi)(shi)決定(ding)因素。如果不信，您(nin)可以(yi)嘗試做下一(yi)頁的(de)實(shi)驗！

正如我(wo)們在(zai)上一頁所說的那樣，影響擺鐘周期(qi)的唯一因素是鐘擺的長度(du)。您可以(yi)通過以(yi)下實(shi)驗(yan)證明這(zhe)個事實(shi)。要做這(zhe)個實(shi)驗(yan)，您需(xu)要準備：

鐘(zhong)錘、細繩、桌子、帶秒針的手表(biao)（或(huo)有數(shu)字秒數(shu)顯示的數(shu)字手表(biao)）。

您可以(yi)將任何東(dong)西當作鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘(chui)。必要時，咖啡杯或書都可以(yi)——這并不重要。將細繩(sheng)系(xi)到(dao)鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘(chui)上。然(ran)后將鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺懸掛在桌子邊緣，這樣鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺長度就大約有61厘米，如下圖所(suo)示：

現(xian)在將(jiang)鐘錘向后(hou)拉約30厘米(mi)，然后(hou)讓鐘擺(bai)(bai)開(kai)始擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)。計時30或60秒鐘，統(tong)計鐘擺(bai)(bai)來回擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)次(ci)數(shu)(shu)。記住擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)次(ci)數(shu)(shu)。現(xian)在，停止鐘擺(bai)(bai)然后(hou)重新(xin)開(kai)始擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)它(ta)，但這次(ci)只(zhi)將(jiang)它(ta)向后(hou)拉約15厘米(mi)，這樣(yang)它(ta)擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)弧度(du)(du)就比較(jiao)小(xiao)。同樣(yang)在30或60秒鐘內統(tong)計擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)次(ci)數(shu)(shu)。您(nin)會(hui)發(fa)現(xian)得(de)到的(de)(de)統(tong)計數(shu)(shu)字與第(di)一次(ci)統(tong)計的(de)(de)數(shu)(shu)字相同。換句話(hua)說，鐘擺(bai)(bai)擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)弧度(du)(du)對周(zhou)期沒有(you)影響。只(zhi)有(you)鐘擺(bai)(bai)線繩的(de)(de)長(chang)度(du)(du)至關重要。如果擺(bai)(bai)弄鐘擺(bai)(bai)長(chang)度(du)(du)，您(nin)會(hui)發(fa)現(xian)可以通過調(diao)整鐘擺(bai)(bai)長(chang)度(du)(du)使(shi)它(ta)來回擺(bai)(bai)動(dong)(dong)(dong)60次(ci)正好(hao)為一分(fen)鐘。

注意到(dao)有關鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺的(de)這個事實(shi)后(hou)，您就(jiu)會發現可以用(yong)鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺設計出準確的(de)時鐘(zhong)(zhong)(zhong)。下圖顯(xian)示了(le)利(li)用(yong)鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺設計時鐘(zhong)(zhong)(zhong)棘輪裝(zhuang)置的(de)方(fang)法。

棘(ji)輪裝(zhuang)置中有(you)一個(ge)輪齒帶有(you)特定形(xing)狀的(de)(de)(de)(de)齒輪。還有(you)一個(ge)鐘(zhong)擺(bai)，連接鐘(zhong)擺(bai)的(de)(de)(de)(de)是可以(yi)嚙合齒輪輪齒的(de)(de)(de)(de)某種裝(zhuang)置。圖中展示(shi)的(de)(de)(de)(de)基本(ben)觀(guan)點是，鐘(zhong)擺(bai)來回擺(bai)動一次，齒輪就(jiu)會(hui)有(you)一個(ge)輪齒“逃脫(tuo)”。

例如，如果鐘(zhong)擺(bai)向左(zuo)擺(bai)動(dong)并(bing)通(tong)過右(you)圖中(zhong)(zhong)所示的(de)中(zhong)(zhong)心位置(zhi)，那么當鐘(zhong)擺(bai)繼續向左(zuo)擺(bai)動(dong)時(shi)，連(lian)接鐘(zhong)擺(bai)的(de)左(zuo)側(ce)制動(dong)部件(jian)便會(hui)(hui)(hui)將釋(shi)放(fang)一個輪(lun)齒(chi)(chi)。然后(hou)，齒(chi)(chi)輪(lun)會(hui)(hui)(hui)前(qian)進半(ban)個輪(lun)齒(chi)(chi)的(de)寬度并(bing)撞(zhuang)到(dao)右(you)側(ce)制動(dong)部件(jian)。向前(qian)運動(dong)并(bing)撞(zhuang)上制動(dong)部件(jian)的(de)過程中(zhong)(zhong)，齒(chi)(chi)輪(lun)會(hui)(hui)(hui)發出(chu)聲響......最常見(jian)的(de)是“滴(di)嗒”或(huo)(huo)“嗚聲”。這正是時(shi)鐘(zhong)或(huo)(huo)手表發出(chu)嘀(di)嗒聲的(de)原因！

需(xu)要(yao)記住一(yi)件事(shi)，鐘(zhong)(zhong)擺不會永不停(ting)歇地擺動(dong)。因此，棘(ji)輪(lun)(lun)裝置(zhi)(zhi)齒(chi)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)另一(yi)個(ge)(ge)作用是賦予(yu)鐘(zhong)(zhong)擺足夠的(de)(de)(de)能量，使鐘(zhong)(zhong)擺能夠克(ke)服摩擦力(li)并保(bao)持擺動(dong)。為(wei)了(le)完成這個(ge)(ge)任務，錨（連接鐘(zhong)(zhong)擺的(de)(de)(de)機械裝置(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)名稱，每次(ci)釋(shi)放(fang)一(yi)個(ge)(ge)棘(ji)輪(lun)(lun)裝置(zhi)(zhi)齒(chi)輪(lun)(lun)輪(lun)(lun)齒(chi)）和棘(ji)輪(lun)(lun)裝置(zhi)(zhi)齒(chi)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)輪(lun)(lun)齒(chi)被設計(ji)為(wei)特殊形狀(zhuang)。如果齒(chi)輪(lun)(lun)的(de)(de)(de)輪(lun)(lun)齒(chi)正確逃脫，鐘(zhong)(zhong)擺每擺動(dong)一(yi)次(ci)錨都會在適當的(de)(de)(de)方向施(shi)加(jia)一(yi)個(ge)(ge)輕(qing)推力(li)。輕(qing)推力(li)增強(qiang)了(le)鐘(zhong)(zhong)擺克(ke)服摩擦力(li)所需(xu)的(de)(de)(de)能量，從(cong)而使它能保(bao)持擺動(dong)。

這樣，您就設計出了一個棘輪裝置。如果棘輪裝置齒輪有60個輪齒，該齒輪直接連接到上面討論的鐘錘滾筒，并且使用周期為一秒的鐘擺，您就會成功設計秒針旋轉速度為每分鐘一周的時鐘。如果非常小心地調整鐘擺長度，我們可以設計出精確度非常高的時鐘。

不過，該時鐘雖然準確(que)，但仍存在兩個問題，這使它不太實用(yong)：

大多數(shu)人都(dou)希望(wang)時鐘(zhong)有(you)時針(zhen)(zhen)和分針(zhen)(zhen)。

您必須每(mei)隔(ge)20分鐘(zhong)給時鐘(zhong)重新上一次(ci)發(fa)條。因為(wei)鐘(zhong)錘(chui)每(mei)分鐘(zhong)旋(xuan)轉一周，所以鐘(zhong)錘(chui)會很快地走(zou)松而落到地板上。大多(duo)數人都(dou)不(bu)會喜歡每(mei)隔(ge)20分鐘(zhong)重新上一次(ci)發(fa)條！

那么，如何解決上緊發條(tiao)的問(wen)題呢(ni)？請繼(ji)續(xu)往下看......

必(bi)須(xu)每(mei)隔20分鐘(zhong)重(zhong)上一(yi)次發條的問題很(hen)容易(yi)解決。正如(ru)齒(chi)輪(lun)比原理中所(suo)(suo)討論的，您(nin)可以設計高速(su)(su)比齒(chi)輪(lun)系，使齒(chi)輪(lun)滾筒(tong)每(mei)隔6至12小時旋轉一(yi)周(zhou)。這樣(yang)，您(nin)會得(de)到只(zhi)需一(yi)周(zhou)左右重(zhong)新上一(yi)次發條的時鐘(zhong)。鐘(zhong)錘滾筒(tong)與棘輪(lun)裝置齒(chi)輪(lun)之間的齒(chi)輪(lun)齒(chi)速(su)(su)比可能為500：1，如(ru)下圖所(suo)(suo)示：

圖(tu)中(zhong)的(de)(de)棘(ji)輪裝置齒(chi)輪有120個(ge)輪齒(chi)，鐘擺的(de)(de)周期(qi)為半(ban)秒鐘，并且秒針直(zhi)接連到(dao)棘(ji)輪裝置齒(chi)輪。鐘錘(chui)齒(chi)輪系中(zhong)每個(ge)齒(chi)輪的(de)(de)齒(chi)數比為8：1，因此整(zheng)個(ge)齒(chi)輪系的(de)(de)齒(chi)數比為492：1。

您(nin)可以(yi)看(kan)到，如果讓棘輪(lun)裝置(zhi)齒(chi)(chi)(chi)(chi)輪(lun)自身以(yi)60：1的(de)齒(chi)(chi)(chi)(chi)數比(bi)(bi)驅動另一(yi)個(ge)齒(chi)(chi)(chi)(chi)輪(lun)系(xi)，則(ze)可以(yi)將分針(zhen)安(an)裝到該(gai)齒(chi)(chi)(chi)(chi)輪(lun)系(xi)的(de)最后一(yi)個(ge)齒(chi)(chi)(chi)(chi)輪(lun)上(shang)。齒(chi)(chi)(chi)(chi)數比(bi)(bi)為(wei) 12：1 的(de)最后一(yi)個(ge)齒(chi)(chi)(chi)(chi)輪(lun)系(xi)將驅動時針(zhen)。轉(zhuan)瞬之間您(nin)就有(you)了一(yi)個(ge)時鐘！

雖然現在這個時鐘不錯，但還存在兩(liang)個問題：

時(shi)針、分針、秒針位于不同(tong)的軸上。這(zhe)個問(wen)題通常利(li)用齒(chi)輪(lun)上的空心軸加以解決，然后(hou)排列齒(chi)輪(lun)系，使驅動時(shi)針、分針和秒針的齒(chi)輪(lun)共用同(tong)一(yi)(yi)軸。空心齒(chi)輪(lun)軸是一(yi)(yi)個對準(zhun)另一(yi)(yi)個。近距離觀看任(ren)一(yi)(yi)時(shi)鐘表(biao)面(mian)，您都可以看到這(zhe)種排列。

由于所有(you)這些齒(chi)輪都直接(jie)連在(zai)一(yi)起(qi)，所以不能輕易地重新上緊(jin)發條或設置時(shi)鐘。這個(ge)(ge)問題(ti)通(tong)常由一(yi)個(ge)(ge)可滑出(chu)(chu)齒(chi)輪系的齒(chi)輪來(lai)解決。當(dang)您(nin)拉出(chu)(chu)手表的轉柄設置時(shi)間時(shi)，實(shi)際上運用的就是這個(ge)(ge)方(fang)法(fa)。在(zai)上圖(tu)中，您(nin)可以設想臨時(shi)取出(chu)(chu)黑色的小齒(chi)輪以上緊(jin)發條或設置時(shi)鐘。

您可以看到，盡管時鐘內的所有齒輪使它(ta)(ta)看起來(lai)很(hen)復雜(za)，但是擺鐘的工作原理非常簡單。它(ta)(ta)共分為五個基(ji)本部(bu)分：

鐘(zhong)錘或(huo)發條——這可以為時鐘(zhong)的指(zhi)針旋轉提供能量。

鐘錘齒(chi)輪(lun)系(xi)——高齒(chi)速比齒(chi)輪(lun)系(xi)可(ke)以驅動(dong)鐘錘滾筒增速，因此不需要頻繁地(di)重新上緊發(fa)條(tiao)。

棘輪裝(zhuang)置——由鐘擺、錨和(he)棘輪裝(zhuang)置齒輪構成，棘輪裝(zhuang)置可(ke)以精確調節(jie)鐘錘能量釋放的速度。

指針齒輪(lun)系——指針齒輪(lun)系可(ke)以減速，因此分針和時(shi)鐘能夠以正確(que)的速度(du)運轉。

撥(bo)針機構——該(gai)機構可以分離、滑(hua)動(dong)或(huo)漸進(jin)齒輪(lun)系(xi)，因此時(shi)鐘可以重(zhong)新上緊發條和撥(bo)針。

了(le)解這些部件(jian)后，理解時鐘工作原理就(jiu)是輕松的事了(le)！

管機械(xie)鬧鐘已經(jing)有很長的(de)(de)(de)歷(li)史了(le)，但對它們(men)進行探索仍然很有趣(qu)。有關一般鐘表的(de)(de)(de)更(geng)多(duo)信息，請查看(kan)標題為擺鐘工作原理的(de)(de)(de)文章(zhang)。下圖所示的(de)(de)(de)就是我們(men)現在(zai)將要拆解的(de)(de)(de)鬧鐘：

取下發條(tiao)旋(xuan)柄(bing)和后蓋，鬧鐘的內部結構便(bian)顯示在我們(men)眼(yan)前：

將支(zhi)腳、鬧鈴(ling)、指針、面(mian)板和邊緣的固(gu)定環拆去，您最終得到的就是鬧鐘的機械系統。

這只鬧鐘（同大多數臺鐘和手表一樣）使用了振蕩輪(lun)來代替鐘擺。振蕩輪(lun)和它(ta)的(de)(de)發(fa)條(tiao)位于鬧(nao)鐘底部。在上圖(tu)中，鬧(nao)鐘的(de)(de)主發(fa)條(tiao)在右上方。左(zuo)邊(bian)的(de)(de)發(fa)條(tiao)用于驅動鬧(nao)鈴，它(ta)有自己的(de)(de)齒(chi)輪(lun)傳動鏈和擒縱機。

在下圖中(zhong)您可(ke)以看(kan)到該機械系(xi)統的(de)正(zheng)面(mian)。指針便是(shi)安裝在中(zhong)心(xin)的(de)同心(xin)軸上。

從側面(mian)可以看到(dao)機械系統中各大小不同的(de)齒輪是如何嚙合到(dao)一起的(de)。

下圖(tu)是振(zhen)蕩輪的前(qian)景照，它的動力由一(yi)些齒輪來(lai)傳(chuan)入。

這只鬧鐘看起來復雜，但實際上只有十幾個(ge)運動(dong)機(ji)件(jian)。在主發條(tiao)和擒(qin)縱輪(lun)之間有四(si)個(ge)齒(chi)輪(lun)。第四(si)個(ge)齒(chi)輪(lun)的中(zhong)軸(zhou)驅動(dong)秒針。其(qi)余(yu)部件(jian)包(bao)括擒(qin)縱輪(lun)、支軸(zhou)、振蕩(dang)輪(lun)和發條(tiao)。共有四(si)個(ge)齒(chi)輪(lun)用(yong)于驅動(dong)時(shi)針、分針和鬧針。另外有兩(liang)個(ge)齒(chi)輪(lun)驅動(dong)鬧錘(chui)，其(qi)中(zhong)一個(ge)還兼(jian)作擒(qin)縱輪(lun)。